Il débute au cinéma dans les films d’Arnaud Desplechin (La Vie des morts et La Sentinelle), et de Jean-Luc Godard (Hélas pour moi). Puis tourne sous la direction entres autres de Pascal Bonitzer (Encore et Petites coupoures), Laetitia Masson (A Vendre), Olivier Assayas (Les Destinées sentimentales), Guillaume Nicloux (Une Affaire privée), Hugo Santiago (Le Loup de la côte Ouest), Michael Haneke (Caché), Nobuhiro Suwa (Un Couple parfait), Benoît Jacquot (L'Intouchable).

En 2009, il interprète le rôle d’un producteur charismatique peu à peu brisé par la faillite de sa maison de production, dans le film de Mia Hansen-Løve (Le Père de mes enfants), puis tourne sous la direction de Jacques Doillon (Le Mariage à trois), Bertrand Bonello (L'Apollonide, souvenirs d'une maison close), Malgorzata Szumowska (Elles), Philippe Ramos (Jeanne Captive), Maïwenn (Polisse), Emmanuel Mouret (L'Art d'aimer), Sophie Lellouche (Paris-Manhattan), Xavier Giannoli (Superstar).

Sans jamais quitter les planches tout au long des années 90 et 2000, Louis-Do de Lencquesaing continue à jouer au théâtre sous la direction entre autres de Valère Novarina (Vous qui habitez le temps), Didier Goldschmidt (Page 207 et suivante), André Engel (Woyzeck), Bruno Bayen (Les névroses sexuelles de nos parents), Jean-Louis Benoit (Du Malheur d'avoir de l'esprit), et Lukas Hemleb (Harper Regan).